置換通風(fēng)與個(gè)體化微環(huán)境控制

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　1、 前言

　　暖通空調(diào)的目的是給建筑物的室內(nèi)人員提供滿意的熱環(huán)境和良好的室內(nèi)空氣品質(zhì),以確保人員的身體健康、舒適要求。

　　傳統(tǒng)的全空間空氣調(diào)節(jié)方式是在實(shí)踐中應(yīng)用的最多的一種,主要包括混合式和置換式兩種。混合式通風(fēng)使室內(nèi)環(huán)境盡可能均勻，送風(fēng)與周圍環(huán)境混合后再到達(dá)人的區(qū)域，其對(duì)人的感覺和空氣品質(zhì)的改善程度較差。送風(fēng)經(jīng)過(guò)與室內(nèi)空氣混合、污染后，只有大約1％的新鮮空氣得到利用，其余99％的空氣均被浪費(fèi)掉「1」。而置換通風(fēng)以低速送風(fēng)，在空間形成熱力分層現(xiàn)象，在空間出現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域，下部單向流動(dòng)區(qū)空氣新鮮未被污染，空氣品質(zhì)良好，上部混合區(qū)是受污染的空氣。因此只要設(shè)計(jì)合理，置換通風(fēng)能夠保證分層高度在工作區(qū)范圍，可以保證人體處于一個(gè)相對(duì)清潔的區(qū)域。

　　在實(shí)際使用中，室內(nèi)人員具有不同的生理和心理反應(yīng)、衣著量、活動(dòng)強(qiáng)度、對(duì)空氣溫度和氣流的個(gè)體偏好，以及人體對(duì)房間溫度變化的不同響應(yīng)等，因此全空間空調(diào)方式有其局限性而且不能同時(shí)為每個(gè)人提供良好的熱感覺和空氣品質(zhì)。為了使空調(diào)更具有人性化，使每個(gè)人能夠按照自己的喜好控制他所在的局部環(huán)境，最佳的解決方法之一是將置換通風(fēng)和個(gè)體化微環(huán)境控制相結(jié)合。這樣既可以通過(guò)置換通風(fēng)保證背景環(huán)境溫度是絕大多數(shù)人滿意，又能通過(guò)個(gè)體化微環(huán)境控制使局部環(huán)境因人而隨意調(diào)節(jié)，達(dá)到每個(gè)人的滿意度。一項(xiàng)研究表明，對(duì)室內(nèi)人員而言，擁有控制其局部環(huán)境的可能性比其真正進(jìn)行大范圍的控制調(diào)節(jié)來(lái)說(shuō)更為重要「2」。

　　2、 置換通風(fēng)

　　置換通風(fēng)是將處理后的新鮮空氣以很低的速度送入工作區(qū)的底部，并在地板上形成一層較薄的空氣湖?？諝夂怯奢^涼的新鮮空氣擴(kuò)散而成，室內(nèi)的熱源產(chǎn)生向上的對(duì)流氣流，新鮮空氣遇到熱源，被加熱，密度減小，從而會(huì)隨對(duì)流氣流向室內(nèi)上部流動(dòng)，形成室內(nèi)流動(dòng)的主導(dǎo)氣流，排風(fēng)口設(shè)置在房間的頂部，將污染空氣排出，送風(fēng)口送入的新鮮空氣溫度通常低于室溫2~4℃「3」，置換通風(fēng)的送風(fēng)速度極低，通常為0.03~0.2m/s「4」，通風(fēng)的流態(tài)如圖1所示。

　　圖1置換通風(fēng)的流態(tài)

　　由于送風(fēng)的動(dòng)量很低，對(duì)室內(nèi)的主導(dǎo)氣流具有很小的影響，熱源引起的熱對(duì)流氣流使室內(nèi)產(chǎn)生垂直的溫度、濃度梯度，在這種情況下排風(fēng)溫度高于室內(nèi)工作溫度。

　　置換通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)環(huán)境有如下特點(diǎn)「5」：

　?。?）室內(nèi)溫度、濃度呈層狀分布。

　　置換通風(fēng)利用空氣的密度差在室內(nèi)形成自下而上的空氣流動(dòng)，送來(lái)的冷空氣由于受到熱源上升氣流的卷吸作用、后續(xù)新風(fēng)的推動(dòng)作用和排風(fēng)口的抽吸作用，形成自然對(duì)流射流。在自然對(duì)流射流的初始階段，它是靠送入氣流Ls補(bǔ)償對(duì)流射流的卷吸量Lr ，此時(shí)Lr﹤ Ls. Lr是上升高度的函數(shù)，隨上升高度的增加而增加，達(dá)到Lr= Ls時(shí)的高度Z稱為分界面高度，超過(guò)此分界面后Lr﹥ Ls，即送風(fēng)已不能滿足對(duì)流射流卷吸量，其所不足之量只能靠自身由頂棚回返之量補(bǔ)償，如圖2所示。

　　圖2置換通風(fēng)的熱力分層

　　因此，在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，分界面將室內(nèi)空氣在流態(tài)上分成兩個(gè)區(qū)，底層單向流動(dòng)區(qū)和上部紊流混合區(qū)。底層單向流動(dòng)區(qū)也是人的活動(dòng)區(qū)，污染物濃度最低，空氣的品質(zhì)最好；頂部的紊流混合區(qū)，余熱和污染物主要集中于此區(qū)內(nèi)，溫度最高，污染物的濃度也最高。然而無(wú)論在下部還是上部區(qū)域，溫度和污染物的濃度梯度均很低，整個(gè)區(qū)均勻平和。在單向流動(dòng)區(qū)和紊流混合區(qū)之間有一個(gè)過(guò)度區(qū)，此區(qū)的高度雖然很小，然而溫度和污染物的濃度梯度卻很大，空氣的主要溫升過(guò)程在此區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)，被成為溫躍層。溫度和污染物的濃度分布如圖3所示。

　?。?）室內(nèi)空氣的流動(dòng)速度低，速度場(chǎng)平穩(wěn)，呈層流或低紊流狀態(tài)。由于以微風(fēng)速送風(fēng)，送風(fēng)區(qū)內(nèi)無(wú)大的室內(nèi)空氣流動(dòng)，在微弱的壓差作用下，新風(fēng)慢慢彌漫房間的底部區(qū)域，吸收余熱，再以自然對(duì)流的方式向上慢慢升起。

　?。?）污染物在人停留區(qū)不橫向擴(kuò)散。由于室內(nèi)無(wú)大的空氣流動(dòng)，污染源不會(huì)橫向擴(kuò)散，而被上升的氣流直接攜帶到上部的非人活動(dòng)區(qū)。

　　4）相對(duì)于混合通風(fēng)，置換通風(fēng)的節(jié)能體現(xiàn)如下：送風(fēng)溫差小，送風(fēng)（4）相對(duì)于混合通風(fēng)，置換通風(fēng)的節(jié)能體現(xiàn)如下：送風(fēng)溫差小，送風(fēng)溫度高，處理新風(fēng)所需的能耗降低約20％；送風(fēng)溫度高，過(guò)渡季節(jié)免費(fèi)取冷時(shí)段增加約50％，帶來(lái)全年供冷能耗降低約10％；由于送風(fēng)溫度高，冷水機(jī)組的蒸發(fā)溫度提高，冷水機(jī)組的能耗降低約3％；由于僅需考慮人員停留區(qū)負(fù)荷，上部區(qū)域負(fù)荷可不必考慮，設(shè)計(jì)計(jì)算負(fù)荷可減少10～40％。綜上所述，置換通風(fēng)所需的能耗比混合通風(fēng)減少約20％～30％「6」。

　　圖3 置換通風(fēng)的速度,濃度分布圖

　　正是由于以上置換通風(fēng)的高效和合理性使得它在劇場(chǎng)、體育館和辦公等大空間場(chǎng)所得到了廣泛的應(yīng)用。它的合理性體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是原理的合理性，置換通風(fēng)系統(tǒng)很好的利用了氣體熱輕冷重的自然特性和污染物自身的浮升特性，通過(guò)自然對(duì)流達(dá)到空氣調(diào)節(jié)的目的。二是它結(jié)果的合理性，置換通風(fēng)系統(tǒng)空氣分層的特點(diǎn)，將余熱和污染物鎖定于人的頭頂之上，使得人的停留區(qū)保持了良好的空氣品質(zhì)。

　　3、個(gè)體化微環(huán)境控制

　　個(gè)體化微環(huán)境控制是一種只對(duì)局部微環(huán)境進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)，從而為每個(gè)提供滿意的空氣品質(zhì)和舒適性的空調(diào)方式。個(gè)體化控制的微環(huán)境特點(diǎn)：其一，新鮮空氣可以直接送到人的呼吸區(qū)，減少了與室內(nèi)空氣的混合，使人體吸入的空氣盡可能地不受周圍環(huán)境的污染，以保證較高的空氣品質(zhì)；其二，通過(guò)局部的冷卻或加熱，能夠達(dá)到每個(gè)人滿意的熱感覺條件。其三，個(gè)體化通風(fēng)的獨(dú)立調(diào)節(jié)手段可以減小個(gè)體差異對(duì)舒適性的影響，同時(shí)產(chǎn)生的心理作用也有助于從感知上提高空氣品質(zhì)。提供個(gè)體化控制之后，室內(nèi)人員的抱怨減少而對(duì)局部環(huán)境的滿意度提高。

　　個(gè)體化調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn),大多采用工位/背景調(diào)節(jié)（TAC）系統(tǒng),主要為地板式和桌面式系統(tǒng)。目前研究的較多的是桌面系統(tǒng),這種方式能夠較好的保證所提供的空氣品質(zhì),其系統(tǒng)形式可分為：水平桌面格柵、垂直桌面格柵、個(gè)人環(huán)境單元和可移動(dòng)式送風(fēng)口?？梢苿?dòng)式送風(fēng)口如圖4所示，通過(guò)機(jī)械臂使送風(fēng)口位置可以移動(dòng)，能夠較好地將風(fēng)送至人的呼吸區(qū)，而且不影響人的正常工作，是目前比較好的一種個(gè)體化送風(fēng)方式。

　　圖4 可移動(dòng)式送風(fēng)口

　　4、 討論

　　盡管置換通風(fēng)和混合式通風(fēng)相比，其工作方式實(shí)現(xiàn)了從全空間到只在工作區(qū)空間空調(diào)方式的轉(zhuǎn)變，使得空氣品質(zhì)得到了顯著改善，空調(diào)能耗得到了降低。但是置換通風(fēng)有其局限性而且不能同時(shí)為每個(gè)人提供高的熱感覺和空氣品質(zhì)。因此，如若將置換通風(fēng)和個(gè)體化微環(huán)境控制相結(jié)合使用，將是一種理想的空調(diào)方式之一。在劇場(chǎng)、體育館或辦公室等大空間有固定人員位置的建筑物中，若在人員處采用個(gè)體局部通風(fēng)調(diào)節(jié)，將新風(fēng)直接送到人的呼吸區(qū)，盡可能的減少與周圍空氣的混合，可以更有效的提高新風(fēng)的利用率，改善室內(nèi)的空氣品質(zhì)，因此可以適當(dāng)?shù)臏p少新風(fēng)量，處理新風(fēng)所需要的能耗會(huì)減少。而在人員不常去的公共部分，如走廊、會(huì)客廳、大廳等公共場(chǎng)所，可以采用置換通風(fēng)的方式，這樣室內(nèi)的背景環(huán)境溫度可以適當(dāng)提高，從而大大減少冷負(fù)荷。當(dāng)室內(nèi)設(shè)定溫度從24℃提高到30℃時(shí)，總的冷負(fù)荷最大能夠降低35％-50％「7」，從而使系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用都能夠得到大幅度降低。同時(shí)個(gè)體化調(diào)節(jié)能夠改善人體的熱感覺和感知的空氣品質(zhì)，同時(shí)滿足個(gè)體差異的要求，減少不滿意率，因此能夠提高工作效率，這為辦公和商用建筑采用個(gè)體化調(diào)節(jié)方式提供了很好的經(jīng)濟(jì)動(dòng)力。

　　但是個(gè)體化微環(huán)境調(diào)節(jié)目前是一個(gè)比較新的研究領(lǐng)域，因此，個(gè)體化控制和置換通風(fēng)的聯(lián)合應(yīng)用還有很多問(wèn)題需要仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究，如空間背景溫度與局部微環(huán)境的溫差、滿足人體熱感覺的前提下，背景溫度的可接受范圍、人體呼吸區(qū)吸入低溫空氣對(duì)人體總體熱感覺的影響以及個(gè)體調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)手段的可實(shí)現(xiàn)性和易用性等等。